VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Охладить без затрат энергии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. ВВЕДЕНИЕ
Было замечено, что в жаркий день листья растений на ощупь прохладней окружающего воздуха. Это выглядит странным, так как растения не обладают волосяным, или перьевым покровом, не «потеют», с помощью испарения жидкости охлаждая себя.
С этим вопросом мы обратились к нашему научному руководителю, который предположил, что листья растений, кроме зеленого. также хорошо отражают и инфракрасный свет, во всем диапазоне, кроме диапазона, принадлежащего «инфракрасному окну атмосферы», и предложил нам исследовать данное явление.
Вместе с научным руководителем был составлен план исследования и распределены роли.
Рабочая гипотеза состоит в том, что если создать устройство, отражающее электромагнитное излучение, кроме диапазона, соответствующего инфракрасному окну атмосферы, то оно сможет охлаждать без каких-либо энергетических затрат.
Предметом исследования является отражающая/поглощающая способность материалов.
Объектом исследования является устройство пассивного охлаждения.
Если удастся создать достаточно дешевое и полностью пассивное устройство для охлаждения, то это может произвести переворот в промышленности, ориентированной на производство холодильных установок и кондиционеров. Кроме этого, такое устройство способно значительно снизить энергопотребление, улучшить экологическую обстановку в жилых районах. Этим обусловлена актуальность данного исследования. .
Целью исследования является создание рабочего прототипа устройства, способного к охлаждению без затрат энергии.
Для достижения поставленной цели было запланировано выполнение следующих задач:
1) Подобрать комбинацию покрытий, способных отражать электромагнитное излучение, кроме диапазона, соответствующего инфракрасному окну атмосферы;
2) Провести испытание устройства, проверить его работоспособность;
3) Проанализировать полученные в ходе эксперимента результаты и сделать выводы.
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
2.1. Виды теплообмена. ИК-излучение.
Различают три типа теплообмена: теплопроводность (передача теплоты от одного тела другому при непосредственном контакте), конвекция (теплообмен за счет перемещения нагретых или холодных частей вещества, как то: газа, жидкости, крупинок твердого вещества) и излучение (посредством электромагнитных волн).[1]
Для наших целей наиболее интересен третий тип теплообмена. Нагретые тела излучают в основном в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн (ИК-излучение). Диапазон инфракрасного излучения лежит в пределах 0,74 – 2000 мкм. Существует четкая закономерность, чем выше температура тела, тем меньше длина волны излучаемых им электромагнитных волн. [2]
ИК-излучение человек ощущает, как тепло. В отличии от конвекции, теплообмен посредством излучения возможен даже в вакууме. Именно благодаря этому свойству Земля получает тепло от нашего Солнца.
2.2. Инфракрасное окно атмосферы
На определенных длинах инфракрасных волн атмосфера «прозрачна» и позволяет уходить теплу непосредственно в космос почти без поглощения и переотражения. [3] Не смотря на то, что это окно не постоянно и зависит от плотности водяного пара, можно считать, что оно лежит примерно в диапазоне 8 – 13 мкм. [4]
Инфракрасное окно атмосферы играет огромную роль для жизни на Земле. Если бы его не было, Земля была бы значительно горячее, океаны бы испарились и условия на нашей планете были бы схожи с условиями на Венере. [5]
Именно инфракрасное окно атмосферы планируется использовать для работы нашего устройства.
3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1. Изготовление устройства.
Для основы устройства послужила обычная коробка из под обуви. Далее эта коробка была обмотана алюминиевой фольгой, так как фольга хорошо отражает инфракрасное излучение и повсеместно используется для сохранения температуры продуктов.
Следующим этапом стал выбор вещества, которое бы поглощало и излучало тепло преимущественно в диапазоне 8 – 13 мкм. Выполнение этой задачи было осложнено тем, что нам не удалось найти никакого справочника, где были бы указаны отражающие и поглощающие свойства различных веществ. Нам пришлось действовать методом подбора, проверяя доступные нам вещества на отражающую и поглощающую способность. Как правило, это были различные строительные отделочные покрытия и дешевые средства из аптеки. Лучшие результаты были получены при применении «Полисорба» (основной компонент SiO2 – диоксид кремния).
Полисорб был разбавлен водой до консистенции «киселя», после чего им обмазали обмотанную фольгой коробку тонким слоем, и оставили засыхать. К сожалению, у нас отсутствовали приборы для измерения толщины покрытия, но слой был достаточно тонким (фольга немного просвечивала).
3.2. Средства измерения.
Измерения температуры проводились с помощью уличного термометра производства ОАО «Стеклоприбор», Украина (какая-либо иная маркировка, указывающая на конкретную модель на термометре отсутствовала). Перед проведением эксперимента мы удостоверились, что показания данного термометра не расходились с показаниями уличного термометра, установленного стационарно за окном квартиры.
3.3. Описание эксперимента
Эксперименты должны были проводиться на улице, иначе стены помещения поглощали и переотражали ИК-излучение в диапазоне инфракрасного окна атмосферы и эффект охлаждения не наблюдался бы.
Для проведения экспериментов были выбраны дни с ясной и сухой погодой, чтобы водяные пары не уменьшили наблюдаемый эффект, а осадки не повредили бы покрытие устройства.
Было запланировано проведение двух экспериментов. Один должен был проводиться в темное время суток, так как в темное время суток в основном присутствует только инфракрасное излучение, а следовательно задача с отражением «ненужных» электромагнитных волн решается проще. Другой эксперимент планировалось провести в дневное время, чтобы проверить, работает ли покрытие, когда кроме инфракрасного излучения присутствуют электромагнитные волны видимого света.
Эксперимент заключался в том, что устройство выносилось на улицу, фиксировалась температура окружающего воздуха, после чего термометр помещался внутрь коробки и, через некоторое время, коробка открывалась, а новые показания термометра записывались. Затем мы с помощью термометра опять фиксировали температуру окружающего воздуха.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
4.1. Эксперимент №1
Первый эксперимент был проведен 08.09.2019г. Температура на улице, согласно показаниям термометра, равнялась 22о С. Эксперимент проводился перед входом на территорию школы №14 г. Красногорск в темное время суток. Коробка предварительно была открыта и «проветрена», чтобы эксперимент был корректным. Ровно в 20:00 термометр был помещен внутрь коробки. В 20:30 коробка была открыта, при этом термометр показывал температуру 17о С. После этого мы убедились, что температура окружающего воздуха осталась равной 22о С.
4.2. Эксперимент №2
Второй эксперимент был проведен на следующий день 09.09.2019г. на том же месте в светлое время суток, с тем же оборудованием, и не выявил различий между температурой окружающего воздуха и температурой внутри коробки.
4.2. Анализ результатов
Первый эксперимент оказался успешным. Разработанное нами покрытие позволило снизить температуру внутри устройства на 5о С без каких-либо источников энергии. Тем не менее, результат далеко не идеален, так как теоретически, если бы отражательные и поглощательные характеристики покрытия четко соответствовали инфракрасному окну атмосферы, разница температур между окружающей средой и воздухом внутри коробки могла бы составить более 200о С.
Отсутствие положительных результатов во втором эксперименте вполне закономерно, поскольку устройство плохо отражало видимый свет, а следовательно, кроме ИК-излучения в диапазоне инфракрасного окна атмосферы, поглощало видимый свет, ультрафиолетовое излучение и нагревалось.
5. ВЫВОДЫ
Проведенные эксперименты показали возможность использования инфракрасного окна атмосферы для охлаждающих устройств. Это явление может быть применено для создания холодильников и кондиционеров, работающих без электричества, не загрязняющих окружающую среду фреоном и другими теплоносителями, максимально экологичных и экономичных. Подобное устройство можно было бы использовать и для получения электроэнергии за счет разницы температур. Учитывая идущее глобальное потепление, главной причиной которого является загрязнение окружающей среды человеком, развитие данного направления представляется особенно актуальным.
Эффективность устройства возможно удалось бы повысить с помощью применения сложных многослойных нанопокрытий или фотонных кристаллов [6], природные аналоги которых обеспечивают окраску многих бабочек.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грачев А.В., Погожев В.А., Вишнякова Е.А. «Физика 8 класс» учебник / М.: Вентана-Граф, 2017. — 320 с.
2. Прохоров А.М. «Физическая энциклопедия» том 2 / Москва: издательство «Большая Российская Энциклопедия, 1999.
3. http://www.laserportal.ru/content_471
4. http://www.laserportal.ru/content_472
5. http://www.laserportal.ru/content_473
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотонный_кристалл
6